电子测量基本知识(新).ppt

电子测量 河南大学物理与电子学院张东明dreamingchang 课程简介 第一部分测量总论 介绍测量和计量的相关知识和电子测量的特点 第二部分电子测量的基本原理和方法 包括示波测试和测量 频率与时间测量 电压测量 测量用信号源与频域测量 调制域测量 第三部分现代电子测量 扼要讲述数据域测试技术第四部分课程相关实验 简要介绍测量 计量的基本概念 及它们的意义 内容 特点 介绍电子测量的特点及基本技术 第1章绪论 1 1测量的基本概念 1 1 1测量的意义日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量 离开测量就不会有真正的科学 没有望远镜就没有天文学 没有显微镜就没有细胞学 没有指南针就没有航海事业 1 1 1测量的意义 续 生产发展离不开测量农业社会中 需要丈量土地 衡量谷物 就产生了长度 面积 容积和重量的测量 掌握季节和节气 出现了原始的时间测量器具 并有了天文测量 现代化的工业生产中 处处离不开测量例如 一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如 每种新设计的飞机 需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能 通过风洞试验测定机身 机翼的受力和振动分布情况 以验证和改进设计 1 1 2测量的定义 1 狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程 在测量过程中 人们借助专门的设备 把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较 取得用数值和单位共同表示的测量结果 测量结果 测量数值x测量单位 即 1 1 2测量的定义 续 测量的内涵 测量对象 被测客体中的相应的量值信息 测量目的 从被测对象取得一个定量的认识 测量过程 通过实验去认识对象的过程 测量方法 比较 A 直接比较B 间接比较 C 需要测量仪器 测量标准 同类已知单位 测量结果 最终能表示给测量主体 人 1 1 2测量的定义 续 被测物体的重量等于标准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数 因为 弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 1 1 2测量的定义 续 2 广义测量的定义广义地讲 测量不仅对被测的物理量进行定量的测量 而且还包括对更广泛的被测对象进行定性 定位的测量 例如故障诊断 无损探伤 遥感遥测 矿藏勘探 地震源测定 卫星定位等 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息 还可以用二维或多维的图形 图像来显示被测对象的属性特征 空间分布 拓朴结构等 广义测量原理可以从信息获取过程来说明 包括信息的感知和信息识别两个环节 1 1 3测量的基本要素 1 测量的基本要素被测对象 测量仪器 测量技术 测量人员和测量环境 1 1 3测量的基本要素 续 1 1 3测量的基本要素 续 仪器以工作环境条件的不同要求分为三组 I组 良好的环境条件 温度 10 35oC 相对湿度80 在35oC上 只允许有轻微的振动 II组 一般的环境条件 温度 10 40oC 相对湿度80 在40oC上 允许一般的振动和冲击 III组 恶劣的环境条件 温度 40 55oC 相对湿度90 在35oC上 允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动 I组 高精度计量用仪器II组 通用仪器III组 野外 机载等仪器 1 2计量的基本概念 1 2 1计量的定义和意义为使在不同的地方 用不同的手段测量同一量时 所得的结果一致 就要求统一的单位 基准 标准和测量器具 1 计量的定义计量是一种特殊形式的测量 它把被测量与国家计量部门作为基准或标准的同类单位量进行比较 以确定合格与否 并给出具有法律效力的 检定证书 计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量 计量的三个主要特征是统一性 准确性和法制性 计量包含了为达到统一和准确一致所进行的全部活动 如单位的统一 基准和标准的建立 进行量值传递 计量监督管理 测量方法及其手段的研究等 1 2 1计量的定义和意义 续 2 计量与测量的关系 测量发展的客观需要才出现了计量 测量是计量应用的重要途径 没有测量 计量将失去价值为了保证测量结果的准确性 必须定期对仪器进行检定和校准 这个过程就是计量 计量的任务是确定测量结果的可靠性 计量是测量的基础和依据 没有计量 也谈不上测量 计量和测量相互配合 才能在国民经济各个领域发挥重要作用 1 2 2单位和单位制 根据定义而令系数为1的量称为单位 单位是表征测量结果的重要组成部分 又是对两个同类量值进行比较的基础 英呎 feet 1 2 2单位和单位制 续 1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI 1984年2月国务院颁布了 中华人民共和国法定计量单位 决定我国法定计量单位以国际单位制为基础 SI有7个基本单位 1 2 2单位和单位制 续 1 国际单位制 SI 的组成国际单位制基本单位 1 2 2单位和单位制 宏观和微观 国际单位制是由国际单位制单位 国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成 国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数 例 5 4 10 9s 5 4ns 纳米技术Nano technology 1 2 2单位和单位制 续 1 2 2单位和单位制 续 飞秒 10 15S 飞秒 femtosecond 也叫毫微微秒 是标衡时间长短的一种计量单位 飞秒只有 秒的一千万亿分之一 即1e 15秒或0 001皮秒 1皮秒是 1e 12秒 即使是每秒飞行 万千米的光速 在一飞秒内 也只能走 微米 不到一根头发丝的百分之一 可见光的振荡周期为1 30到2 57飞秒 TB 1012B 目前计算机硬盘容量已经到TB Byte 数量级 1 2 3基准和标准 1 基准基准用来复现某一基本测量单位的量值 只用于鉴定各种量具的精度 不直接参加测量 1 一级基准 又称主基准和国家基准具有最高水平的基准 一个国家只有一个 2 二级基准 又称副基准副基准的量值精度由主基准确定 用以代替主基准向下传递或代替主基准参加国际比对 3 三级基准 又称工作基准工作基准用来直接向下属标准量具进行量值传递 用以检定下属计量标准量具的精确度 1 2 3基准和标准 续 2 标准根据工作基准复现出不同等级的便于经常使用的计量标准量具或仪器 简称标准 计量标准的准确度等级在工作基准之下 工作计量器具之上 按精度高低又分为一级标准 二级标准和三级标准 通过这些标准经常性地对日常工作仪器进行检定 确定其量值的精确度大小 1 2 4测量基准的权威性和相对性 1 基准的权威性基准的理论定义最严格的 制作工艺技术最先进 原器基准自身也会随时间 地点 环境条件而变化 甚至会损坏 会失传 从现代科学的观点来看 最好的基准是原子基准 2 基准的相对性一个时期的测量基准反映当时的人类认识水平和科学水平例 以太阳为基准 时间测量的精确度1天内可达到1秒钟 而目前铯原子钟的计时精确度在三百万年内也不超过1秒 GPS定位卫星上装有原子钟 1 2 4测量基准的权威性和相对性 续 1 2 5测量标准的传递 自上而下逐级传递 1 3电子测量的特点 1 3 1电子测量的意义20世纪30年代 便开始了测量科学与电子科学的结合 产生了电子测量技术处理信息最有效 最成功的是电子科学技术 具有极快的速度 具有极精细的分辨能力 很宽的作用范围 极有利于信息传递 极为灵活的变换技术 巨大的信息处理能力 1 3 2电子测量的特点 1 测量频率范围宽 被测信号的频率范围除测量直流外 测量交流信号的频率范围低至10 6Hz以下 高至THz 1THz 1012Hz 2 量程范围宽 如数字万用表对电压测量由纳伏 nV 级至千伏 kV 级电压 量程达12个数量级 3 测量准确度高 例如 用电子测量方法对频率和时间进行测量时 由于采用原子频标和原子秒作为基准 可以使测量准确度达到10 13 10 14的数量级 4 测量速度快 因为电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作 5 易实现遥感 测 RemoteSensing measurement 6 易实现测量过程的自动化和测量仪器智能化 1 3 3电子测量的内容 从广义上说 电子测量是泛指以电子科学技术为手段而进行的测量 即以电子科技理论为依据 以电子测量仪器和设备为工具 对电量和非电量进行的测量 从狭义上讲 电子测量则是利用电子技术对电子学中有关的电量所进行的测量 1 3 3电子测量的内容 续 电子测量的内容是 1 按具体的测量对象来分类 包括下列电参数的测量 电能量的测量包括各种频率及波形下的电压 电流 功率 电场强度等的测量 电路参数的测量包括电阻 电感 电容 阻抗 品质因数 电子器件参数等的测量 电信号特征的测量包括信号 频率 周期 时间 相位 调幅度 调频指数 失真度 噪音以及数字信号的逻辑状态等的测量 电子设备性能的测量包括放大倍数 衰减 灵敏度 频率特性 通频带 噪声系数的测量 特性曲线的测量包括幅频特性曲线 晶体管特性曲线等的测量和显示 1 3 3电子测量的内容 续 2 按基本的测量对象来看 电子测量是对电信号和电系统的测量 电子测量的基本对象是未知的信号与系统 电子测量的基本工具是已知的信号与系统 电子测量的基本工作机理是信号与系统的相互作用 1 4电子测量的基本实现技术 补充 1 4 1电子测量中的变换技术 1 量值变换量值是指电压 电流 功率 阻抗 时间等电参量的幅值大小 量值变换即指把它们的幅值按比例地增大或缩小 把量值处于难以测量的边缘状态 太小或太大 的被测量 按某一已知比值变换为量值适中的同样参量进行测量 通过量值变换 可增加测量范围 提高测量分辨力和精度 1 4 1电子测量中的变换技术 续 1 信号放大与衰减信号放大是为了将微弱的被测信号 放大到足以进行各种转换处理 或能驱动指示器 记录器 测量放大器 是指在测量系统中用来放大微弱电压 电流或电荷信号的放大器 要求低漂移结构原理 差动直接耦合式 调制式 斩波稳零 和自动稳定式三大类 还有高输入阻抗放大电路 高共模抑制比放大器 电桥放大器 电荷放大器 程控增益放大器 隔离放大器等 衰耗器 用来降低测量系统中的信号电平用途 使大的信号进入仪器的测量范围 或者通过降低信号电平来控制失真 或改进阻抗匹配 或对信号源去耦等分类 电阻式 感应式 吸收式 回转式 截止式 电调式等 1 4 1电子测量中的变换技术 续 2 频率变换 1 检波 交流电压变成直流电压常用磁电式电表 它只能测量直流 交流信号必须检波成直流信号来测量 2 斩波 把一个直流电压调制成交流电压 经过交流放大 然后再把交流电压通过反调制 解调 还原为直流电压的过程 斩波的作用是对微弱的直流电压进行放大 1 4 1电子测量中的变换技术 续 3 变频 混频 进行频率的加减运算 获得很宽的频率覆盖范围 获得高增益 提高测量仪器的灵敏度 实现中频或低频替代 以提高测量精度 实现频率的精密测量 例 f 200 020kHz 220kHzf0 200kHz则F f f0 20Hz 20kHz高频转换为中低频 便于测量 1 4 1电子测量中的变换技术 续 4 倍频 倍频器是频率综合技术中的乘法器 用倍频法减小测量误差 利用电子计数进行频率测量时 1误差将决定测量误差 若KHz 1的相对误差为10 3 如果先对被测频率进行103倍的锁相倍频后测量 则该项误差可降为10 6 1 4 1电子测量中的变换技术 续 5 分频分频是于对信号频率进行除法运算 6 频率合成 信号源 频率合成是把一个 或少量几个 高稳晶振频率源经过一系列综合的加 减 乘 除四则运算 可作为随意调节频率的高精度信号源 7 取样技术 取样示波器 取样门电路将高频信号进行取样变换 使之以低频形式复现出来 它可以把频率上限扩展到几GHz甚至几十GHz 1 4 1电子测量中的变换技术 续 3 波形变换 1 限幅把信号波形幅度限制在一定范围内 2 微分由矩形脉冲形成一个窄脉冲 在电子计数器 取样示波器 广谱信号源中广泛使用 3 合成多种波形叠加成复杂波形 例如合成CRT显示的视频信号波形 4 变换方波变成三角波或正弦波 三角波变成正弦波或方波 正弦波变成方波或三角波等 波形变换技术广泛用于多波形函数发生器中 1 4 1电子测量中的变换技术 续 4 参量变换 1 AV 变换 电流 电压 电阻之间的变换多用表中采用的AV 变换 包括交流 直流 AC DC 电流 电压 I V 和电阻 电压 V 的转换 实现了交 直流电压 电流 电阻等多种测量功能 2 V F变换 变容二极管扫频 模拟直流电压转换为频率 3 V T变换 电压测量 模拟直流电压转换成时间 1 4 1电子测量中的变换技术 续 例 试以数字多用表测量交流电流为例 阐述变换技术在电子测量中的应用 交流电流 交流电压的变换 交流电压 直流电压的变换 直流电压的幅值变换 模拟 数字的变换 BCD码 七段码的码制变换 显示器件的电 光转换 1 4 1电子测量中的变换技术 续 例 一个工件伤痕检测系统使用的变换技术 机械量信息到光信号 光信号变换成电信号 电信号被放大 进行了幅度变换 对电信号比较 校正的处理后抽取出了有关伤痕的有用信息 电信号到光信号的变换 1 4 2电子测量中的处理技术 信号运算与处理是电子测量中的基本技术浅层的信息处理基本上属于对信息的形式化关系所作的变换或处理 仅仅利用了语法信息的因素 例如 在测量交流电压的平均值 峰值 有效值时 需要对信号进行加 减 乘 除 平方 开方 平均 取绝对值 峰值等运算与处理 深层信息处理 特别是直接与优化 决策 认知等相联系的信息处理 的目的是为了要从原始信息中获得相关的 知识 运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类 1 4 2电子测量中的处理技术 续 1 基本模拟运算运算放大器辅之以不同的电路元件 可以组成诸如比例 加减 微分 积分 对数 指数和乘除等电路 1 四则运算电路 1 4 2电子测量中的处理技术 续 指数和对数运算电路则是利用二极管的电流与其端电压在一定条件下存在的指数关系来实现 1 4 2电子测量中的处理技术 续 乘法运算或除法运算 模拟乘法器 是新型集成器件 是利用晶体管的非线性特性 1 4 2电子测量中的处理技术 续 2 积分和微分电路运算放大器外接电感和电容等储能元件 则利用电路在时域中的过渡过程可形成积分电路和微分电路 利用其频域特性则可构成形形色色的滤波电路 1 4 2电子测量中的处理技术 续 3 有源滤波器按照频谱分析的观点 任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合 在被测信号中 除了有用的频率成分之外 往往不可避免地含有一些无用噪声的频率成分 滤波器的功能就是利用其频率特性来保留有用的频率成分 削弱或消除无用的频率成分 即具有信号分离的功能 分为低通 高通 带通和带阻等不同滤波器 1 4 2电子测量中的处理技术 续 例 运算与处理功能在电压测量中的应用 计算公式交流电压有效值第一级为模拟乘法器 完成被测电压的平方运算 第二级为积分器 完成平均运算 第三级为开方器 完成开平方根的运算 最后一级为放大器 按一定比例放大的直流输出电压去驱动电表使电表 按被测电压的有效值进行线性刻度 1 4 2电子测量中的处理技术 续 2 数字计算与数字信号处理基于数字逻辑电路的硬件方式 利用现有的各种数字逻辑门 译码器 触发器 寄存器 计数器 全加器等 以及各种CPLD FPGA等可编程逻辑 组成各种数字逻辑的运算与控制单元 基于微处理器和微型计算机的嵌入式系统的软件方式 通过软件编程 可完成各种数字与逻辑的运算 它不仅能完成常用的数学运算 而且能实现统计运算 FFT运算等 运算功能强 精度高 速度快